HFETR緩發中子與破探流量的關系的研究

李廣輝 莫家豪 李子彥 鄒德光

摘 要：堆內破損探測系統是HFETR在線監測元件破損情況的重要系統，通過測量取樣水的緩發中子與總γ為運行人員提供實時元件破損情況的判據。通過觀察發現，在工作流量下緩發中子計數受破損探測系統流量影響較大。由于閥門的敏感度高，破探系統流量常常變化進而引起緩發中子的變化，給運行人員對元件破損情況的實時研判與甄別分析帶來了影響。該文通過實驗，觀察到在工作流量下（60～80 L/h）中子本底相同的情況下緩發中子計數與破探系統流量呈線性關系，根據此關系對緩發中子進行數據處理，可以得到更直觀和科學的緩發中子數據，有利于進行元件破損分析。

關鍵詞：破損探測 緩發中子 HFET 破探流量

中圖分類號：TL33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0147-03

堆內破損探測系統是HFETR在線監測元件破損情況的重要系統，通過測量取樣水的緩發中子與總γ為運行人員提供實時元件破損情況的判據。通過觀察發現，在工作流量下緩發中子計數受破損探測系統流量影響較大，這就導致運行人員難以直觀的了解反應堆一回路的水中緩發中子的變化情況，影響對元件破損的判斷。同時，在工程應用中存在破探流量不斷變化的情況。該文通過試驗及歷史數據分析的方式，發現在工作流量下（60～80L/h）中子本底相同的情況下緩發中子計數與破探系統流量呈線性關系，據此建立緩發中子與流量的關系式，解決在破探流量變化的情況下無法直接使用緩發中子數據的問題。

1 緩發中子計數率計算模型

鈾核裂變放出的中子，99%以上都是在裂變發生后10-7～10-4s的極短時間內放射出來的，這些中子稱為瞬發中子，其余不到1%的中子則是在裂變1/10 s到數分鐘的不同時間內發射出來的，它們稱為緩發中子[1]。緩發中子來源于元件中裂變碎片穿出或反沖，裂變碎片在固體物質中的行程約25μm。根據核素的釋放模型，裂變碎片若要從燃料芯體中直接釋放出來，需要穿過其2倍射程的基體材料，由于元件包殼的存在，裂變碎片釋放的一次水中的可能性大大降低，但如果燃料元件有破損，則裂變碎片就會釋放到一次水中，裂變碎片產生的緩發中子也會被探測到[2]。

緩發中子是由緩發中子先驅核衰變產生，緩發中子發射周期長是維持反應堆的可控性的重要因素。同時，反應堆元件破損時，釋放出的緩發中子先驅核素會釋放出緩發中子，從一回路引出一部分冷卻劑并且測量其緩發中子就可在線監測元件破損情況，于元件外表面有鈾粘污等原因，在一次水中會有中子本底[3]。

設Ri為緩發中子先驅核素i釋放速率，Ci為核素i堆芯冷卻劑出口的濃度，則有：

（1）

其中，Q為冷卻劑流量；μ為核素i在一回路的衰減系數；t為冷卻劑循環一周所需要的時間。在從一回路進行取樣后，在探測器監測處的核素i濃度為：

（2）

其中，為核素i的衰變常量，為冷卻劑出口到探測器的延遲時間。之后可以計算出核素i探測器處的中子源強：

（3）

其中為單位時間內取樣水中緩發中子先驅核i產生的中子源強；

V為單位時間內取樣水體積；ε為緩發中子先驅核i每次衰變的中子產額。

之后緩發中子經過石蠟慢化，被BF3計數管探測到。緩發中子的技術是計數管處的熱中子注量率與探測器乘積。源強與BF3計數管處的熱中子注量率可由MCNP得到，在這里我們設其對應關系保持不變，由于探測器效率固定，則源強的變化線性的反映于計數率的變化上[4]。

從式（1）、式（2）、式（3）可以看出：當反應堆4泵功率運行時，冷卻劑流量穩定，延遲時間不變。此時，由于破損探測系統閥門開度不穩定造成的破探流量不穩定影響到了單位時間取樣水的體積，進而影響到了緩發中子的計數。

在60～80 L/h的工作流量下，由于工作區間較窄，可忽略破談系統流量變化引起的延遲時間的變化，且當破損情況一定時，不變，、為常數。

1 （4）

l為破損探測系統流量；為取樣的單位時間。

（5）

令，則有

（6）

從上式可以看出緩發中子的計數與流量成線性關系。且該斜率表征了水中緩發中子先驅核素的多少。

2 實驗數據與運行歷史數據分析

2.1 試驗爐段緩發中子數據

選取實驗爐反應堆運行壽期中前期，將破探流量從60 L/h依次調至80 L/h。每隔2 L/h待系統流量穩定，且計數率穩定后記錄十組數據。考慮到破探系統閥門的靈敏度高的問題，只要求測點盡量分布均勻。實驗結果如圖1所示。

利用線性回歸對數據進行處理可以得到該系統狀態下緩發中子與流量的關系式：

（7）

該式相關系數，與實驗數據相關性好。容易看出隨著破探系統流量的增加，緩發中子計數呈線性增加。

2.2 樣本一爐段緩發中子數據

查閱HFETR運行日志，選取元件情況穩定的爐段，可認為24 h內一回路中緩發中子先驅核素穩定。由于破探系統閥門靈敏度高，破探系統流量會緩慢變化，選取流量變化平穩的時段進行分析。圖2是樣本一爐中某時段緩發中子與流量的關系。

利用線性回歸得到關系式：

（8）

該式相關系數。

在該爐段緩發中子平均水平較實驗爐段高，故斜率較實驗高。

2.3 樣本二爐段緩發中子數據

圖3為樣本二爐某時段緩發中子與流量關系。

利用線性回歸得關系式：

（9）

該式相關系數。該爐緩發中子緩發中子水平與實驗爐段相當，斜率相近。

2.4 樣本三爐段緩發中子數據

圖4為樣本三爐緩發中子與流量的關系。

利用線性回歸得到關系式：

（10）

該式相關系數。該爐段緩發中子水平較試驗爐段低，斜率也較實驗爐段低。從圖4可以看出，在緩發中子計數小于0.3時線性度差，分析是由于水中緩發中子先驅核素濃度過低導致核素在水中分布的離散度較大，在BF3計數管的中子場不穩定進而測得中子計數隨機性較大。由于在運行過程中運行人員并不需要對低計數值進行分析，故在低計數值的情況下線性度不佳不影響對破損的研判。

從式（7）～（10）可看出，破損探測系統流量與緩發中子線性相關性好，且緩發中子平均計數水平越高，斜率越大，符合理論計算式。

3 緩發中子測量數據與流量關系的應用分析

從該文得出的結論可以知道：水中緩發中子先驅核素一定時，緩發中子隨破探系統流量增加而增加，呈現出線性關系。由于元件布置、粘污、溫度等各方面影響，每一爐段的斜率關系不同，不宜使用統一換算關系式來描述一爐中緩發中子的變化，但在堆內無異常變化時，同一爐段斜率關系保持穩定。

破探系統變流量工況下，運行人員為了維持流量限值需不斷調節破探流量而造成緩發中子計數大幅改變，影響了操作人員對元件破損情況的判斷。引入斜率數據處理法可解決這一問題，同時在同一爐段出現斜率大幅偏移時可分析是否發生了元件破損。

在運行人員對元件情況產生疑問時，可以通過調節破探系統流量來標定其斜率（認為在標定過程中緩發中子水平穩定）。標定點越多值越精確，考慮到運行人員勞動強度，推薦標定2～3個點作為判別依據，流量間隔建議在5～10 L。

4 結語

該文通過實驗證明在工作流量下緩發中子計數與破探系統流量呈線性變化關系，根據理論計算。提出在不通過頻繁調節破探流量的辦法，獲得較準確的緩發中子數據，并在發生斜率突變時考慮元件破損的可能，有助于運行人員研判元件破損情況。該文所采用的數據均來自高通量堆試驗及高通量堆的運行記錄，所得出的結論目前僅適用于高通量工程試驗堆，通過此方法，可以提高運行人員通過緩發中子分析元件破損的準確度，解決人員頻繁調節破探流量的問題，提高運行安全。

參考文獻

[1]楊朝樂.核反應堆內緩發中子與相對中子密度的研究[J].科學與財富，2014（12）：222-223.

[2]李蘭，楊紅潤.壓水堆核電廠燃料元件破損診斷方法[J].核動力工程，2008（4）：135-139.

[3]徐治龍，劉興民.緩發中子計算燃料元件破損方法研究[J].原子能科學技術，2013（47）：169-171.

[4]楊寧.燃料元件破損監測用緩發中子探測器的國內發展及其技術要點[J].核電子學與探測技術，2013（12）：1485-1489.